In-situ Tracerdiffusion in Festkörpern

• Antragsteller: Professor Dr. Harald Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 327867869

Eine der wichtigsten analytischen Methoden zur experimentellen Bestimmung von Diffusionskoeffizienten, prozessbestimmenden Aktivierungsenergien und Diffusionsmechanismen in Festkörpern basiert auf den Einsatz stabiler Tracer. Hierbei wird ein seltenes stabiles Isotop eines Elements als Tracer auf die Oberfläche des zu untersuchenden Materials aufgebracht. Nach Glühung bei erhöhter Temperatur kommt es zur Umverteilung des Tracers, woraus nach Abkühlung der Probe und Isotopentiefenprofilanalyse mit beispielsweise Sekundärionen-Massenspektrometrie Selbst-Diffusionskoeffizienten bestimmt werden können.In den letzten Jahren hat sich die Methode der Neutronenreflektometrie in diesem Bereich etabliert. Sie erlaubt es Diffusionslängen < 1 nm und Diffusionskoeffizienten im Bereich bis 10-26 m2/s an dünnen Sichten und Volumenmaterialien verlässlich nachzuweisen. Der Nachteil dieser Methode und aller anderen auf Tracer basierenden Methoden ist, dass man Diffusionsvorgänge nicht in-situ, d.h. während des Glühprozesses erfassen kann. Es ist immer eine Abkühlung auf Raumtemperatur notwendig. Für viele moderne, insbesondere metastabile und nanoskalige, Materialsysteme wäre jedoch eine in-situ Messung während des eigentlichen Diffusionsprozesses von großem Vorteil. Durch die aktuelle Weiterentwicklung der Neutronenreflektometrie in Form der fokussierenden Reflektometrie können sehr hohe Neutronenintensitäten am Probenort erzeugt werden, die es erlauben Reflektogramme im Zeitraum < 5 min aufzunehmen. Dies ermöglicht eine in-situ Erfassung der Diffusion in Festkörpern während des Glühprozesses. Hierdurch wird eine quasi-kontinuierliche Erfassung des Diffusionskoeffizienten als Funktion der Zeit ermöglicht. Zudem ist der Fehler einer Messung signifikant erniedrigt und Aktivierungsenergien können genauer bestimmt werden.Das Ziel dieses Forschungsprojektes ist die Quantifizierung von Selbstdiffusionskoeffizienten in-situ während des Glühprozesses mit Neutronenreflektometrie anhand des Modellsystems „amorphes Germanium“, um die Methode auf einer breiten Grundlage auszutesten und die nötigen Randbedingungen für eine instrumentelle Weiterentwicklung aufzuzeigen. Es sollen Experimente zu quasi-kontinuierlichen Erfassung von zeitabhängigen Diffusionskoeffizienten während struktureller Relaxation und Kristallisation erfolgen. Die genannten Arbeiten sollen erheblich dazu beitragen, die Methode im Bereich der Materialwissenschaften zu etablieren und das Studium von Diffusionsprozessen in Festkörpern entscheidend voran zu bringen.Im Rahmen des Fortsetzungsantrags ist geplant, die im ersten Antragszeitraum entwickelte Methode zur Bestimmung von Aktivierungsenergien in einem Einzelexperiment (isochrone Methode) auszutesten und zu verfeinern. Zudem sollen systematische Untersuchungen zur Diffusion in amorphem Si1-xGex erfolgen, wobei die Vorteile der In-situ-Methode (hoher Probendurchsatz, Zeitabhängigkeit der Diffusion) ausgespielt werden soll.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen